高壓變頻器在改造中的應(yīng)用

1 引言

隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，電氣傳動(dòng)技術(shù)正經(jīng)歷著比較大的革新。工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域大量使用的高壓感應(yīng)異步電動(dòng)機(jī)，已經(jīng)由傳統(tǒng)的改變其它機(jī)械環(huán)節(jié)的控制方法，改造為直接改變供給的交流電源的頻率和幅值的變壓變頻控制方法，進(jìn)行速度調(diào)節(jié)和位移控制，從而可以提高生產(chǎn)工藝，降低能源消耗。特別是在當(dāng)今面臨能源危機(jī)的條件下，節(jié)能降耗不僅有近期的直接經(jīng)濟(jì)效益，更有長遠(yuǎn)的社會(huì)效益。

采用新型高壓大功率電力電子器件構(gòu)造的直接“高-高”式變頻器，具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠的特點(diǎn)，有很好的調(diào)速和起動(dòng)與制動(dòng)性能。由于采用不控整流和全控器件進(jìn)行開關(guān)調(diào)制，具有輸入側(cè)高功率因數(shù)、整裝置優(yōu)良的控制性能和高的運(yùn)行效率。特別是通過改變送給電動(dòng)機(jī)的電流的頻率，在很寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)行高效率的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，可以取得很好的節(jié)電效果，在風(fēng)機(jī)和水泵的節(jié)能改造上已經(jīng)得到廣泛證實(shí)。

2 高壓變頻器的系統(tǒng)組成和原理

該高壓變頻器為直接高－高結(jié)構(gòu)，不需輸出升壓變壓器，輸出為單元串聯(lián)移相式PWM方式，其主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該高壓變頻器具有運(yùn)行穩(wěn)定、調(diào)速范圍廣、輸出波形正弦好、輸入電流功率因數(shù)高、效率高等特點(diǎn)，對(duì)電網(wǎng)諧波污染小，總體諧波畸變THD小于4%，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)，功率因數(shù)高，不必采用功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，輸出波形好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機(jī)。

2.1 功率單元

AMB-HVI系列高壓變頻器每相由六個(gè)的功率單元串聯(lián)而成。各功率單元具有完全相同的結(jié)構(gòu)，有互換性。每個(gè)功率單元為三相輸入，單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)，同時(shí)還包括驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、監(jiān)測、通訊等組件組成的控制電路，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過控制IGBT的工作狀態(tài)，輸出PWM電壓波形。每個(gè)功率單元額定輸出電壓為580V，串聯(lián)后輸出相電壓3480V，線電壓達(dá)到6kV。

圖2變頻器功率單元圖

AMB-HVI系列高壓變頻器輸出采用多電平移相式PWM技術(shù)，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但各載波之間互相錯(cuò)開一定電角度，實(shí)現(xiàn)多電平PWM，使得輸出電壓非常接近正弦波。輸出電壓的每個(gè)電平臺(tái)階只有單元直流母線電壓大小，所以dv/dt很小，功率單元采用較低的開關(guān)頻率，以降低開關(guān)損耗，但輸出波形的等效開關(guān)頻率可以達(dá)到單元開關(guān)頻率的6倍，且輸出電平數(shù)增加，輸出相電壓為13電平，線電壓為25電平，電平數(shù)和等效開關(guān)頻率的增加有利于改善輸出波形，降低輸出諧波，其輸出波形如圖3所示。

圖3高壓變頻器的輸出電壓和電流波形

2.2 IGBT驅(qū)動(dòng)原理

在AMB-HVI變頻器的功率單元中，使用高性能、智能化的專用IGBT驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)主控系統(tǒng)輸出的PWM控制信號(hào)進(jìn)行隔離、緩沖處理后，使弱電信號(hào)（TTL電平）能夠驅(qū)動(dòng)高壓回路中的大功率IGBT器件，輸出我們需要的SPWM電壓。

驅(qū)動(dòng)模塊輔助功能還包括：對(duì)IGBT進(jìn)行短路、過流、欠壓監(jiān)測和保護(hù)。當(dāng)負(fù)載或功率單元一旦出現(xiàn)短路、過流、欠壓等方面故障，驅(qū)動(dòng)模塊將故障信號(hào)上傳到主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)的微處理器將根據(jù)故障類型進(jìn)行辨別處理后，發(fā)出命令使驅(qū)動(dòng)模塊停止工作，禁止該功率單元的輸出。與此同時(shí)主機(jī)中故障處理控制邏輯還會(huì)根據(jù)故障類型進(jìn)行更進(jìn)一步判斷，以決定系統(tǒng)是否發(fā)生真正的故障，以便系統(tǒng)采取報(bào)警停機(jī)或繼續(xù)運(yùn)行，以保護(hù)變頻器與配電系統(tǒng)的安全，不至于造成更大的故障和更大的經(jīng)濟(jì)損失。

2.3 輸入變壓器

AMB-HVI系列高壓變頻器的輸入側(cè)變壓器采用移相式變壓器，其電氣原理圖如圖4所示。變壓器原邊繞組為6kV，副邊共十八個(gè)繞組分為三相。每個(gè)繞組為延邊三角形接法，分別有±5o、±15o、±25o移相角度，每個(gè)繞組接一個(gè)功率單元，這種移相接法可以有效地消除35次以下的諧波。因此，采用移相變壓器進(jìn)行隔離降壓，使得輸入側(cè)功率因數(shù)在0.96以上，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成超過國家標(biāo)準(zhǔn)的諧波干擾。

圖4移相變壓器電氣原理圖

3 改造方案

考慮到變頻器退出運(yùn)行后，為了不影響生產(chǎn)，確保系統(tǒng)正常工作，配置工頻旁路，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，將電機(jī)投切到工頻下運(yùn)行。整個(gè)系統(tǒng)由1臺(tái)高壓變頻柜、1臺(tái)控制柜、1臺(tái)變壓器柜、一臺(tái)旁路柜、一臺(tái)電機(jī)及一臺(tái)送風(fēng)機(jī)組成，下圖為送風(fēng)機(jī)變頻方案示意圖。

圖5送風(fēng)機(jī)變頻方案示意圖

圖5中共有3個(gè)高壓隔離開關(guān)，為了確保不向變頻器輸出端反送電，QS2與QS3采用機(jī)械互鎖，并采用S7-200PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電氣連鎖，避免系統(tǒng)誤操作。當(dāng)QS1、QS2閉合，QS3斷開時(shí)，電機(jī)運(yùn)行在變頻狀態(tài)；當(dāng)QS1、QS2斷開，QS3閉合時(shí)，電機(jī)工頻運(yùn)行，此時(shí)高壓變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護(hù)和調(diào)試。

在變頻改造以前，風(fēng)機(jī)均采用調(diào)節(jié)風(fēng)板開度的方式控制鍋爐進(jìn)風(fēng)量，由于其電機(jī)裕量較大，因而電能的浪費(fèi)特別嚴(yán)重，同時(shí)由于頻繁的對(duì)風(fēng)板進(jìn)行操作，導(dǎo)致風(fēng)板的可靠性下降，影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。且電機(jī)工頻起動(dòng)特別困難，起動(dòng)電流大，對(duì)電網(wǎng)沖擊較大，并造成電機(jī)籠條松動(dòng)、有開焊斷條的危險(xiǎn)。一般起動(dòng)后不允許停機(jī)。

進(jìn)行變頻改造后，風(fēng)機(jī)的風(fēng)板開度保持全開，基本不需要改變，根據(jù)實(shí)際所需的風(fēng)壓，由DCS系統(tǒng)通過PID調(diào)節(jié)計(jì)算，輸出4~20mA模擬電流信號(hào)發(fā)給變頻器，通過調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)送風(fēng)量的目的，滿足運(yùn)行工況的要求。

同時(shí)，進(jìn)行變頻改造后電機(jī)在啟動(dòng)和調(diào)節(jié)過程中，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)變化，電流沒有任何沖擊，解決了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的大電流沖擊問題，消除了大啟動(dòng)電流對(duì)電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和主機(jī)的沖擊應(yīng)力，大大降低日常的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。

4 天山水泥廠節(jié)能效果分析

天山水泥廠五臺(tái)風(fēng)機(jī)經(jīng)過變頻改造后提高了運(yùn)行的自動(dòng)化程度，降低了大量電能損耗，較大程度地降低了運(yùn)行成本，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具體節(jié)能分析如表1所示。

循環(huán)風(fēng)機(jī)（變頻器型號(hào)AMB-HVI-3550KVA/10）

高溫風(fēng)機(jī)（變頻器型號(hào)AMB-HVI-2500KVA/10）

收塵風(fēng)機(jī)（變頻器型號(hào)AMB-HVI-800KVA/10）

磨煤風(fēng)機(jī)（變頻器型號(hào)AMB-HVI-630KVA/10）

窯頭風(fēng)機(jī)（變頻器型號(hào)AMB-HVI-500KVA/10）

表1

長強(qiáng)鋼廠、揚(yáng)子水泥、聯(lián)勤不銹鋼、重慶富凰節(jié)能效果分析

長強(qiáng)排粉機(jī)（變頻器型號(hào)AMB-HVI-500KVA/10）

揚(yáng)子風(fēng)機(jī)（變頻器型號(hào)AMB-HVI-1250KVA/10）

聯(lián)勤燒結(jié)風(fēng)機(jī)（變頻器型號(hào)AMB-HVI-2000KVA/10）

聯(lián)勤高爐風(fēng)機(jī)（變頻器型號(hào)AMB-HVI-1250KVA/10）

富凰引風(fēng)機(jī)（變頻器型號(hào)AMB-HVI-450KVA/6）

表2

5結(jié)論

上述各廠風(fēng)機(jī)經(jīng)過變頻改造后，節(jié)約了大量的電能，改善了工藝過程，電機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，延長設(shè)備的使用壽命，減少維修量；電機(jī)的振動(dòng)情況得到了改善，取得了預(yù)期的效果。

中高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)是實(shí)施有效節(jié)能的重要裝備，是國家當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的急需，在加快建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的歷史進(jìn)程中，我們必將迎來一個(gè)高壓變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展和推廣應(yīng)用的時(shí)代